當(dāng)材料在一個電流方向上表現(xiàn)得像超導(dǎo)體而在另一個方向上表現(xiàn)得像電阻器時，就會出現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)。與傳統(tǒng)二極管相比，這種超導(dǎo)二極管表現(xiàn)出完全消失的電阻，因此在正向方向上沒有損耗。這可能成為未來無損量子電子學(xué)的基礎(chǔ)。

大約兩年前，物理學(xué)家首次成功地創(chuàng)造了二極管效應(yīng)，但存在一些基本限制。來自因斯布魯克大學(xué)理論物理研究所的 Mathias Scheurer 解釋說：“當(dāng)時，這種效應(yīng)非常微弱，是由外部磁場產(chǎn)生的，這在潛在的技術(shù)應(yīng)用中非常不利。”

布朗大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)，在近期的Nature Physics中有所描述（“Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene”），不需要外部磁場。

三層石墨烯（來源：Mathias Scheurer）

除了上述與應(yīng)用相關(guān)的優(yōu)勢外，這些實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了 Mathias Scheurer 先前提出的一個論點(diǎn)：即超導(dǎo)性和磁性共存于由三個相互扭曲的石墨烯層組成的系統(tǒng)中。因此，該系統(tǒng)實(shí)際上會產(chǎn)生自己的內(nèi)部磁場，從而產(chǎn)生二極管效應(yīng)。

布朗大學(xué)的同事觀察到的二極管效應(yīng)也非常強(qiáng)。此外，二極管的方向可以通過簡單的電場逆轉(zhuǎn)?？傊?，這使得三層石墨烯成為超導(dǎo)二極管效應(yīng)的一個很有前途的平臺，”Mathias Scheurer解釋道，他在二維材料，尤其是石墨烯方面的研究獲得了ERC的啟動資金。

“布朗大學(xué)的同事觀察到的二極管效應(yīng)也非常強(qiáng)。此外，二極管的方向可以通過一個簡單的電場來反轉(zhuǎn)。這使得三層石墨烯成為超導(dǎo)二極管效應(yīng)的一個很有前景的平臺，” Mathias Scheurer 解釋道。

有前途的材料石墨烯

Nature Physics 中描述的二極管效應(yīng)也是用石墨烯產(chǎn)生的，石墨烯是一種由以蜂窩狀排列的單層碳原子組成的材料。堆疊幾層石墨烯會帶來全新的特性，包括三個相互扭曲的石墨烯層能夠無損耗地導(dǎo)電。

該系統(tǒng)在沒有外部磁場的情況下存在超導(dǎo)二極管效應(yīng)，這一事實(shí)對扭曲三層石墨烯復(fù)雜物理行為的研究具有重要意義，因?yàn)樗C明了超導(dǎo)和磁性共存。這表明二極管效應(yīng)不僅具有技術(shù)相關(guān)性，而且有可能提高我們對多體物理基本過程的理解。這方面的理論基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)表在另一個高級出版物2D Materials（https://doi.org/10.1088/2053-1583/ac5b16）。

該系統(tǒng)中在沒有外部磁場的情況下存在超導(dǎo)二極管效應(yīng)這一事實(shí)對于研究扭曲的三層石墨烯的復(fù)雜物理行為具有重要意義，因?yàn)樗C明了超導(dǎo)性和磁性的共存。這表明二極管效應(yīng)不僅具有技術(shù)相關(guān)性，而且具有提高我們對多體物理基本過程的理解的潛力。這方面的理論基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)表在另一個高級出版物（2D Materials，“扭曲三層石墨烯中的零場超導(dǎo)二極管效應(yīng)理論”）。

審核編輯 ：李倩